Lựa chọn vật liệu khung xe đạp như thế nào? Ưu nhược điểm của khung carbon, nhôm, titan và thép là gì?

Nên chọn khung xe vật liệu nào? Đây hẳn là một trong những quyết định quan trọng của nhiều người khi mua xe đạp.

Nhiều năm qua, khung xe đạp được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, ban đầu chủ yếu là thép. Lựa chọn chính hiện nay là nhôm và sợi carbon, tất nhiên, thép và titan vẫn được nhiều người dùng trên thị trường lựa chọn. Mỗi vật liệu đều có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào nhu cầu cá nhân của mỗi người, ví dụ như: trọng lượng, ngân sách, tuổi thọ và đặc tính hiệu suất mà bạn mong muốn từ nó.

Sau đây, Hello bike sẽ liệt kê một số đặc tính chính của nhôm, thép, titan và carbon để bạn cân nhắc trước khi mua xe đạp.

Hợp kim nhôm

Chúng ta thường thấy khung nhôm được gọi là “hợp kim”. Điều này là do nhôm nguyên chất quá mềm để tạo hình khung xe đạp, do đó nó được trộn với các vật liệu khác để thay đổi tính chất vật lý. Trên thực tế, tất cả các khung xe đạp bằng kim loại đều được làm từ hợp kim vì lý do tương tự. Bản thân thép là hợp kim của sắt, còn titan chủ yếu là hợp kim với nhôm và va-na-đi-um.

Các con số như 6061 và 7005 (hai hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến nhất) là số hiệu của nhôm được trộn với các vật liệu khác trong mỗi dạng hợp kim (chủ yếu là si-lic và magiê). Mỗi “công thức” sẽ có những đặc tính không giống nhau. Khung xe hợp kim nhôm cũng là một kim loại được lựa chọn ở mức giá tầm trung, với những đặc tính như trọng lượng nhẹ, độ bền cao và giá thành hợp lý, nó hoàn toàn không có đối thủ.

Khung xe hợp kim nhôm được sản xuất như thế nào?

Tất cả các kim loại đều có tỷ lệ độ bền/trọng lượng vô cùng giống nhau, các yếu tố như chiều rộng và độ dày thành của ống quan trọng hơn độ bền của chúng. Tương đối dễ dàng để điều khiển các ống nhôm có những đặc tính khác nhau dọc theo chiều dài của chúng, các ông nhôm thường được sử dụng phương thức gắn nối để đảm bảo độ cứng cần thiết và giảm trọng lượng ở những nơi không cần thiết.

Hàn khung

Các ống khung nhôm đều được dùng phương pháp hàn. Điều này có nghĩa là phần đuôi dày hơn, bởi vì ứng lực ở đó lớn, cần nhiều vật liệu hơn để gắn nối với các ống khác, còn phần giữa mỏng hơn để giảm nhẹ trọng lượng. Ống khung luôn có một độ dày cố định mang lại hiệu suất ổn định. Một đầu của ống gắn nối đơn khá dày (ví dụ: ở phần liên kết với trục giữa), hai đầu của ống kép cũng dày, còn ống đa đã được giảm bớt độ dày ở phần giữa ống.

Gắn nối chỉ là một phần của quá trình sản xuất, chúng ta cũng thường nghe về công nghệ Hydroforming. Đây là quá trình điều chỉnh hình dạng của ống bằng cách sử dụng chất lỏng áp suất cao để tạo ra ống phù hợp với khuôn.

Khung nhôm cao cấp ngày càng tiên tiến hơn bao giờ hết, quy trình này có thể giúp tạo ra các hình dạng phức tạp, để tác động đến đặc tính của các bộ phận cụ thể của khung, bao gồm trọng lượng, độ bền và sự thoải mái. Nhiều khung nhôm mới nhất cũng có đặc điểm thiết kế khí động học.

Các ống nhôm thường được hàn lại với nhau để làm thành khung xe. Các mối hàn trên phôi có thể có vẻ bề ngoài lồi lõm không đều, nhưng thường được mài sau khi hàn để trông phẳng hơn, cũng giúp giảm bớt một chút trọng lượng. Khung nhôm sau khi hàn thường được xử lý nhiệt để giúp hợp kim khôi phục trở lại độ bền ban đầu. Vì một lượng nhiệt lớn được truyền vào một vùng cục bộ khi hàn sẽ làm thay đổi tính chất của kim loại cục bộ, khiến phần mối hàn trở thành khu vực yếu nhất. Việc tôi lại sau khi hàn có thể giúp giảm bớt tình trạng này.

Một số khung xe hợp kim ban đầu được sản xuất bằng phương pháp gắn nối, các ống được cắt thành các đoạn có chiều dài nhất định rồi ghép lại thành mối nối. Alan của Ý và Vitus của Pháp là những thương hiệu đầu tiên áp dụng phương pháp sản xuất này.

Khung xe hợp kim nhôm có những đặc tính gì?

Mặc dù hợp kim nhôm là vật liệu được sử dụng trong phần lớn các loại khung xe cấp thấp, nhưng nó vẫn có một số sự lựa chọn khung xe giá cao hơn và tập trung vào hiệu suất, ngay cả trên xe đạp đua hay xe đạp địa hình. Khung xe hợp kim nhôm rất chắc chắn và bền, giá chỉ bằng 1/5 khung sợi carbon, hơn nữa còn nhẹ hơn nhiều so với thép.

Do độ bền và thiếu đặc tính giảm xóc nên khung nhôm không được biết đến với sự thoải mái, nhưng công nghệ sản xuất khung xe mới nhất cùng với xu hướng sử dụng lốp xe đạp đua rộng hơn, có nghĩa là nhiều chiếc xe khung nhôm đã được cải thiện chất lượng điều khiển. Mặc dù khung nhôm mang lại sự cân bằng về độ bền, độ cứng và trọng lượng, nhưng không giống như thép và titan, hợp kim nhôm dễ bị mỏi kim loại.

Tuy nhiên, so với khung carbon, khung nhôm ít bị gãy hơn khi va đập. Do đó, nhôm vẫn là vật liệu khung phổ biến cho xe đạp địa hình, cũng là một sự lựa chọn cho những người mới bắt đầu chơi xe đạp đua với mức giá phải chăng.

Ưu điểm của khung nhôm

• Tỷ lệ độ bền/trọng lượng tốt
• Khả năng chịu tải cao
• Bền hơn khung sợi carbon

Nhược điểm của khung nhôm

• Tính thoải mái ở mức trung bình
• Gây ra hiện tượng mỏi kim loại
• Khó sửa chữa

Khung thép

Trong khoảng 100 năm, thép là vật liệu chính để sản xuất khung xe, cho đến giữa những năm 1990, khung nhôm bắt đầu chiếm ưu thế. Tuy nhiên, hiện nay vẫn có thị trường dành cho xe đạp thép, nó là vật liệu chính được lựa chọn bởi những người thích đu trend và những nhà sản xuất xe theo yêu cầu.

Vỏ bọc hay hàn?

Có hai phương thức sản xuất khung thép chính là có vỏ bọc và không có vỏ bọc. Khung xe có vỏ bọc được chèn ống vào mối nối thép đúc ở các khớp và sau đó hàn chúng lại với nhau. Khung không có vỏ bọc là các mối nối ống được hàn lại với nhau hoặc hàn phi lê. Kết cấu vỏ bọc trước đây rất phổ biến, các khung xe thép cổ điển thường có các mối nối rất mảnh, nhưng việc hàn có xu hướng làm cho khung nhẹ hơn, đồng thời không cần dọn dẹp nhiều như hàn vảy, điều này thường dẫn đến việc có vật liệu dư thừa ở các mối nối, sau đó phải loại bỏ.

Mặt khác, hàn vảy đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn hàn nối, do đó tính năng của thép có thể thay đổi thành thấp hơn, từ đó cho mối nối chắc chắn hơn. Giống với các ống trong khung hợp kim nhôm, khung thép thường được sử dụng kỹ thuật ghép nối để giảm trọng lượng. Hình dạng ống của mẫu khung thép mới đa dạng hơn so với tiết diện hình tròn của mẫu cũ.

Chất liệu thép đa dạng

Hầu hết các xe đạp thép tập trung vào hiệu suất đều được làm từ thép crom, thép cường độ cao có thể được tìm thấy trên các loại khung cấp thấp giá rẻ. Thép có thành phần khác nhau mang những hiệu suất khác nhau. Reynolds 531 là hợp kim kinh điển được sử dụng cho khung xe đạp, trong đó 531 là tỷ lệ mangan, carbon và molypden trong hợp kim.

Tuy nhiên, hiện nay có nhiều sự lựa chọn hơn, với các nhà cung cấp ống khung bao gồm Dedacciai và Columbus. Ống thép có nhiều thành phần và kiểu dáng khác nhau, không giống với các vật liệu ống khung khác. Điều này có nghĩa là có thể chế tạo ra được khung xe đạp du lịch rất chắc chắn hoặc khung xe trọng lượng nhẹ, tùy thuộc vào nhu cầu của người dùng.

Thép không gỉ cũng là một sự lựa chọn, nhưng chúng yếu hơn thép crom, tuy nhiên ngành sản xuất xe đạp đã phát triển loại thép không gỉ chuyên dụng bền bằng thậm chí bền hơn thép crom.

Đặc điểm của khung thép

Nhược điểm chính của thép là trọng lượng và giá thành. Nó nặng hơn nhôm và có giá thành cao hơn hơn khi sản xuất trên quy mô lớn, vì vậy nhôm vẫn là ưu tiên hàng đầu cho hầu hết các khung xe đạp kim loại hiện nay.

Mặc dù mật độ và trọng lượng của thép lớn hơn nhiều so với nhôm, nhưng nó cũng chắc chắn và bền hơn. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất khung có thể sử dụng các ống có đường kính nhỏ và thành mỏng hơn, duy trì độ bền cần thiết, nhưng vẫn tồn tại những tổn hại về trọng lượng. Khác với nhôm, nó vẫn có thể dễ dàng sửa chữa nếu bị hư hỏng. Tương tự như vậy, thép cũng có giới hạn mỏi và có thể chịu được vô số ứng lực dưới giới hạn mỏi mà không gây ra hư hỏng, không giống như nhôm sẽ bị ăn mòn theo thời gian.

Đặc tính tự nhiên của thép cũng mang lại trải nghiệm thoải mái “có độ đàn hồi”, vì vậy thép là sự lựa chọn phổ biến cho xe đạp có thiết kế đơn giản, xe đạp thiết kế theo yêu cầu, cũng như xe đạp du lịch, trong những khung xe này, vấn đề về trọng lượng không quá lớn. Thép mang lại giá trị cao hơn titan, độ bền và tuổi thọ là yếu tố then chốt. Cũng có thể nói, trừ khi làm bằng thép không gỉ, nếu không khung thép sẽ cần được sơn để chống ăn mòn bên ngoài, đồng thời các ống khung cũng có thể được sơn bên trong để chống gỉ sét.

Ưu điểm của khung thép

• Chắc chắn và bền bỉ, không gây ra hiện tượng mỏi kim loại
• Dễ dàng sửa chữa
• Tính thoải mái tương đối cao
• Giá cả phải chăng hơn titan

Nhược điểm của khung thép

• Khá nặng
• Đắt hơn nhôm
• Hình dạng ống khung không tiên tiến như nhôm
• Sẽ bị ăn mòn nếu không được xử lý đúng cách

Hợp kim titan

Titan thường được xem là một lựa chọn cao cấp, một phần do chất lượng và giá thành của xe, cũng như trên thực tế, xe đạp hợp kim titan thường được quảng cáo là “chiếc xe đạp có thể sử dụng trọn đời”.

Hầu hết các kim loại đều có số tuần hoàn trọng tải xác định trước khi chúng có thể bị hỏng. Titan có độ đàn hồi cao hơn đáng kể đối với ứng lực và biến dạng lặp lại, điều này có nghĩa là các nhà sản xuất khung xe chuyên nghiệp có thể sản xuất ra những chiếc khung nhẹ hơn, linh hoạt hơn mà không lo rủi ro hỏng hóc.

Giống như nhôm và thép, titan cũng là một dạng hợp kim, các nhà sản xuất khung cũng có nhiều sự lựa chọn khác nhau. AL3 2.5V (gồm 3% nhôm và 2,5% vanadium) là mã được sử dụng phổ biến nhất cho khung titan. Ống khung 6AL 4V chắc chắn hơn đáng kể, do đó khó ứng dụng, đôi khi được sử dụng trên khung hiệu suất cao hoặc ở những nơi cần độ cứng như ống đầu và trục giữa.

Hợp kim titan cũng có khả năng chống mỏi cao, nghĩa là nó có tính năng giảm xóc tốt và không bị biến dạng. Ví dụ, Moots sử dụng tính dẻo của hợp kim titan để tạo ra hệ thống giảm xóc ở vị trí gióng yên của bộ khung Mountaineer và Routt YBB.

Đặc tính của khung xe hợp kim titan

So với các kim loại khác, titan có những ưu điểm rõ ràng khi sử dụng làm khung xe đạp. Nó có mật độ thấp hơn thép, do đó khung xe có thể nhẹ hơn, đồng thời vẫn có các ống khung có thành dày hơn. Ống khung titan nặng bằng một nửa ống thép có cùng độ bền kéo. Phần mỏng nhất trên các ống titan của Enigma thường có độ dày 0,9mm, trong khi độ dày của ống thép là 0,5mm.

Điều này làm cho khung titan khó bị móp hơn và vì titan không bị ăn mòn nên khung cũng không cần phải sơn. Tuy nhiên, titan khó gia công hơn thép, phải chú ý đến việc làm sạch và kiểm soát quá trình hàn, đồng thời cần bảo vệ khí argon để chống oxy hóa.

Trước đây, có rất ít bộ ống khung titan có thể sử dụng và chúng không được thiết kế dành riêng cho xe đạp. Ngày nay đây không còn là vấn đề nữa, vì đã có nhiều lựa chọn ống khung chuyên dụng cho xe đạp hơn, và các đặc điểm thiết kế như ống cổ hình nón và tiêu chuẩn trục giữa rộng hơn đồng nghĩa với việc các khung xe hợp kim titan có thể được thiết kế bền như yêu cầu của ứng dụng.

Ưu điểm của khung titan

• Chắc chắn và bền bỉ, không gây ra hiện tượng mỏi kim loại
• Nhẹ hơn thép
• Chất lượng khung xe tốt
• Không cần lớp sơn đặc biệt

Nhược điểm của khung titan

• Khó gia công
• Nặng hơn carbon
• Giá thành khá cao

Sợi carbon

Kể từ khi Lance Armstrong vô địch giải Tour de France năm 1999 với chiếc Trek 5500 OCLV, sợi carbon đã trở thành vật liệu được lựa chọn hàng đầu cho khung xe đạp hiệu suất cao.

Điều này có lý do chính đáng. Sợi carbon là vật liệu có khả năng thích ứng cao, có thể được định hình và tinh chỉnh theo yêu cầu chính xác, nó có thể cân bằng độ bền, sự thoải mái và tính khí động học. Tuy nhiên, carbon không phải là không có nhược điểm. Khung carbon có giá thành cao và dễ bị hư hại do va chạm hơn các vật liệu khác.

Khung xe sợi carbon được sản xuất như thế nào?

Khung xe carbon bao gồm các lớp sợi carbon (lớp sợi dệt) được nhúng vào dung dịch nhựa epoxy. Sợi carbon mang lại cho nó sự bền bỉ, nhựa epoxy giữ chúng lại với nhau.

Carbon có tỷ lệ độ bền/trọng lượng cao nhất trên mỗi lớp, nhưng đó chỉ là theo một hướng, do đó nó được xếp chồng lên khung xe đạp ở nhiều góc độ. Điều này có nghĩa là tỷ lệ độ bền/trọng lượng của nó giảm đi một chút, nhưng vẫn cao hơn các vật liệu khác.

Hầu hết các khung xe được sản xuất bằng cách xếp lớp lên nhau nhiều vật liệu carbon/nhựa (được gọi là “vật liệu prepreg”) ở các vị trí khác nhau trên khung sẽ được sử dụng các loại và hướng khác nhau. Ví dụ, khung xe 795 Blade của Look được làm từ hơn 800 loại vật liệu prepreg khác nhau.

Nhựa mang lại cho khung xe khả năng chống va đập và cường độ chịu áp lực. Có tương đối ít công ty sản xuất prepreg, nhiều khung xe được sản xuất bởi bên thứ ba, vì vậy hầu hết các khung sẽ được làm bằng cùng một loại nhựa. Đây là lớp phủ lợi thế của các nhà sản xuất xe đạp, nó cũng mang lại những chất lượng khác nhau cho khung xe.

Hiểu rõ các điểm chính của nhiều lớp làm tăng sự phức tạp trong quá trình thiết kế khung xe carbon, các thương hiệu xe đạp cũng không biết cuối cùng người dùng sẽ sử dụng khung xe của họ như thế nào. Điều này dẫn đến việc khung carbon được thiết kế quá mức ở một mức độ nhất định để đảm bảo chúng có thể chịu được các mức tải trọng khác nhau so với bình thường.

Tạo khuôn đúc hay ghép nối?

Một khi các lớp khác nhau trong khung đã được làm thủ công, khung sẽ được đặt trong khuôn kim loại và được nung nóng dưới áp suất để gắn các lớp khác nhau lại với nhau.

Trong quá trình tạo khuôn, mỗi kích thước xe đạp đòi hỏi một khuôn riêng biệt, làm tăng chi phí thiết kế cho các khung xe mới.

Một phương pháp khác được sử dụng trên một số khung thiết kế theo yêu cầu là kết cấu ống, trong đó các ống carbon định hình sẵn được cắt theo độ dài cố định, ở các khớp nối, chúng được bọc trong lớp sợi carbon hoặc dán vào các mối nối carbon bổ sung. Colnago C64 là một ví dụ điển hình về kiểu kết cấu này. Một số nhà sản xuất xe đạp sử dụng máy móc để dệt sợi carbon của riêng họ thành ống khung, trong đó BMC và TIME được sử dụng quy trình tương tự.

Đặc điểm của khung sợi carbon

Điểm khác biệt chính giữa sợi carbon và tất cả các kim loại khác là tính chất tổng hợp của sợi carbon làm cho nó có tính đa hướng, nghĩa là các tính năng vật lý của nó khi ở các hướng khác nhau cũng sẽ khác nhau.

Một ví dụ hàng ngày về tính đa hướng là một miếng gỗ mà bạn có thể dễ dàng xẻ theo chiều dọc, nhưng việc xẻ theo chiều ngang qua các đường vân sẽ khó hơn nhiều. Sợi carbon cũng vậy, điều này có nghĩa là bố cục của các bộ phận khác nhau rất quan trọng đối với sự hoạt động và độ bền của khung xe. Đây chính là lý do tại sao bạn thấy từ “nhiều lớp” được lặp đi lặp lại trong các tài liệu tiếp thị dành cho xe đạp sợi carbon.

Một yếu tố quan trọng khác là mô đun của sợi carbon được sử dụng. Sợi carbon có mô đun càng cao sẽ càng cứng, nhưng chúng cũng giòn hơn, do đó, ngay cả những khung xe được tiếp thị là “mô đun cao” cũng sẽ được làm từ hỗn hợp các loại sợi carbon khác nhau. Sợi carbon có mô đun cao hơn có giá thành đắt hơn, nhưng kết quả cuối cùng sẽ là khung xe nhẹ hơn với cùng độ bền.

Đôi khi bạn sẽ tìm thấy những vật liệu khác cũng được sử dụng để làm khung sợi carbon. Ví dụ như công nghệ Countervail của Bianchi được ứng dụng trong nhiều khung xe của họ. Nó tích hợp một lớp vật liệu liên kết đàn hồi vào nhiều lớp sợi carbon, Bianchi cho biết, việc này giúp giảm bớt va chạm trên đường.

Có thể tỉ mỉ điều chỉnh các đặc tính từng bộ phận của khung, nó đồng nghĩa với việc thiết kế của khung xe sợi carbon có thể đáp ứng các yêu cầu cụ thể của xe đạp và loại hình đạp xe được thiết kế cho nó. Sợi carbon có thể được sử dụng để tạo ra các khung xe cực kỳ nhẹ và cứng, có thể chọn bọc sợi carbon thành các ống khí động học phức tạp mà vẫn đảm bảo chất lượng và sự thoải mái khi đạp.

So với khung xe kim loại, một nhược điểm khác của sợi carbon là nó không thể khoan ra để lắp thêm ốc. Điều này có nghĩa là cần ép các trục vào trong khung hoặc thêm các miếng đệm kim loại để lắp được các trục có ốc. Đặc biệt là trục giữa ép, rất dễ gây ra tiếng kêu. Còn các miếng đệm kim loại sẽ làm xe đạp nặng hơn và có thể gây ra các vấn đề về căn chỉnh nếu không được thực hiện đúng cách.

Sợi carbon cũng dễ vỡ, nên ở những khu vực như móc đuôi rất dễ bị hư hỏng. Đây chính là lý do tại sao xe đạp sợi carbon thường được trang bị thân trục bằng kim loại để gắn trục, hoặc có các khối bảo vệ bằng kim loại được tích hợp vào những vị trí này.

Một cú va chạm cũng có thể gây hư hỏng phần bên trong của khung, bên ngoài có thể không nhìn thấy được, còn có thể khiến khung bị gãy bất ngờ. Nếu khung xe sợi carbon bị va đập hoặc hư hỏng nghiêm trọng, bạn nên kiểm tra lại trước khi đạp xe, có thể sử dụng sóng siêu âm hoặc tia X để kiểm tra xem bên trong khung có bị hư hỏng hay không.

Khi khung xe sợi carbon bị hỏng thường ít khi tái chế lại được, còn khung kim loại lại dễ dàng được tái chế. Đặc biệt là giá trị của titan đồng nghĩa với việc nó ít có khả năng bị vứt vào bãi rác.

Ưu điểm của khung carbon

• Tỷ lệ độ bền/trọng lượng tốt
• Tính dẻo cao

Nhược điểm của khung carbon

• Giá thành đắt
• Dễ hư hỏng sau va chạm

👉 Đặt hàng Online tại: https://hellobike.vn/

————————————

HELLO BIKE – Xe đạp thể thao chính hãng!

☎ Điện Thoại:

– Miền Bắc: 0917.470.986

🌐 Facebook: HELLO BIKE – Xe Đạp Thể Thao Chính Hãng

🌐 Website: hellobike.vn

🎞 Youtube: Xe Đạp Thể Thao Hello Bike ️

🎶 Tiktok: hellobike336

🏡 Địa chỉ:

– Miền Bắc: D04 L04 An Phú Shop Villa, Dương Nội Hà Đông, Hà Nội